PLC DCS FCS三大控制系统的特点及应用

PLC、DCS、FCS三种控制系统的特点及应用摘要：本文对PLC、DCS、FCS三种控制系统的特点进行分析后，指出了三种控制系统应用方向。

关键词：可编程序控制器（PLC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）1.前言上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。

现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。

在有些行业，今天使用PLC，明天使用FCS+PLC，；而在另一些行业，今天使用DCS，明天使用FCS+DCS，所以FCS与PLC及DCS之间，既存在着本质的差异，又存在有着千丝万缕的联系。

本文就PLC、DCS、FCS三种控制系统的特点及应用进行简要分析。

2．PLC、DCS、FCS三种控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三种控制系统，即PLC、DCS和FCS。

它们各自的基本特点如下：2．1 PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。

（2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。

（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。

（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。

这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。

（5）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。

（6）PLC网络如Siemens公司的SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/MINI。

（7）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

（8）制造商：GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。

2．2 DCS（1）分散控制系统DCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技术于一身的监控技术。

（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。

（3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。

（4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。

（5）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。

（6）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。

（7）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。

（8）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。

（9）用于大规模的连续过程控制，如电厂、石化等。

（10）制造商：Bailey（美）、HITACH（日）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB（瑞士）、Honewell（美国）等。

2．3 FCS（1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。

（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。

（4）在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。

（5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。

（6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。

（7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

（8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。

（9）局域网，再可与internet相通。

（10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。

（11）制造商：美Honeywell 、Smar 、Fisher— Rosemount、 AB/Rockwell、Elsag—Bailey 、Foxboro 、Yamatake 、日Yokogawa、欧 Siemens、 GEC—Alsthom 、Schneider、proces—Data、 ABB等。

3．三种控制系统之间的差异我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。

而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。

新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。

下一节就仅以DCS与FCS进行比较。

在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。

3．1 差异要点·DCSDCS系统的关键是通信。

也可以说总线是分散控制系统DCS的脊柱。

由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，总线自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

总线的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。

通过总线的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。

（1）系统能处理多少I/O信息。

（2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。

（3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。

（4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。

（5）总线的最大允许长度是多少。

（6）总线能支持多少支路。

（7）总线是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。

为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余总线。

为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。

所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。

目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

·FCSFCS的关键要点有三点（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准前面已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。

就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。

开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，就具有互操作性。

换句话说，不论什么厂家的产品，只要遵循总线标准的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。

(2)FCS系统的基础是数字智能现场装置数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础， FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。

如果现场装置不遵循统一的总线协议，即FCS专用数字智能现场装置，就不能实现现场总线控制系统。

也就是要增加现场一级控制功能。

(3) FCS系统的本质是信息处理现场化对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。

实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。

这就FCS系统的重要特点，大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返，同时FCS系统的总线协议大大提高线缆传输信息的能力。

3．2 典型系统比较通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。

传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的两芯线电缆，以传送4~20Ma或0~10V DC信号，现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的专用的两芯线电缆仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根专用的两芯线电缆完成数字通信。

具体比较：（1）DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，总线更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。

而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。

因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。

（2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。

而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。

（3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。

而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化高性能，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。

（4）FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。

（5）DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。

但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。

FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。

FCS 采用的是双向数字通信现场总线信号制。

因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。

FCS的这点优越性是DCS无法比拟的。

（6）FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。

有专家认为可以省去60%。

（7）FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护4．P PLC、DCS、FCS三种控制系统的应用我们已经知道有的FCS是由PLC发展而来，而有的FCS是由DCS发展而来，那么，今天FCS已走向实用化，PLC与DCS前景又将如何。

PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统，PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。

PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。

PLC作为一个站挂在高速总线上。

充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。

另外，火力发电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。

PLC对于顺序控制有其独特的优势。

同时，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。